2017-2026十年高考物理专项汇编（全国）：专题09 天体运动中的典型问题（教师版）

1

专题09天体运动中的典型问题

考点分类十年考情（2017-2026）命题规律

.航天情境深度绑定：以我国嫦娥探月工程、空间

站运营、行星探测等真实前沿航天成果为命题载

2026陕晋宁青卷、2026河

体，贴合“航天强国”的命题导向，不再使用脱离

南卷2025甘肃卷2025四

实际的抽象模型出题。

川卷、2024福建卷、2024

广东卷、2024湖南卷、.综合关联属性突出：不再孤立考查万有引力公式，

考点1天体2024河北卷、2023北京卷、会联动圆周运动规律、能量守恒、第一宇宙速度

运动中的典型2023湖南卷、2022天津卷、等内容，强化“万有引力提供向心力”核心逻辑的

问题2022湖北卷、2022浙江卷、灵活运用，规避死记硬背公式的考法。

2021江苏卷、2021浙江卷、.能力导向持续强化：弱化繁琐代数运算，重点考

2021重庆卷、2021湖南

查天体质量/密度估算、卫星变轨的能量与速度变

卷2020海南卷、2020北

化分析、多星系统的受力推导能力，规避固化刷

京卷、2019北京卷、2019

题套路，依托真实情境实现能力分层。

浙江卷、2017江苏卷、

.

考点01天体运动中的典型问题

1．（2026·陕晋青宁卷·高考真题）我国自主建设运行的北斗全球卫星导航系统空间段由多颗卫星组成。若

、v、v

轨道半径不同的两颗卫星绕地球做匀速圆周运动，角速度大小分别为12，线速度大小分别为12，

则（）

vvvvv2v2v3v3

12121212

22

A．12B．12C．12D．12

1

【答案】D

2

Mm2v

G2mrm

【详解】卫星绕地球做匀速圆周运动，万有引力提供向心力rr

其中G为引力常量，M为地球质量，r为轨道半径，为角速度，v为线速度。

GMGM

v,3

推导得rr

vv1v2

r

A．由，由于轨道半径不同，则12，故A错误；

5

vv1v2

r2

222

B．由以上分析可知，，与r有关，12，故B错误；

222

vv1v2

r

C．由以上分析可知，，与r有关，12，故C错误；

3

GM2

3

vr

GM

GM

3

D．由以上分析可知，r，与r无关，故D正确。

故选D。

2．（2026·河南·高考真题）“土星环”是由绕土星运动的颗粒组成的带状薄圆环，图为拍摄的真实照片。已

231122

知土星的平均密度约为7.010kg/m，引力常量G6.6710Nm/kg，由照片信息估算位于“土星环”

上的中间颗粒绕土星做圆周运动的周期是（）

3455

A．2.010sB．4.010sC．2.010sD．4.010s

【答案】B

【详解】设土星半径为R，质量为M，土星环上颗粒的轨道半径为r，周期为T。颗粒绕土星做匀速

2

Mm2

G2mr

圆周运动，由万有引力提供向心力，有rT

1

4

MVR3

其中土星质量3

3

3r

T

联立解得周期T的表达式GR

由照片信息可得r2R

4

代入数据解得T4.010s

故选B。

3．（2025·江西·高考真题）如图所示，Ⅰ和Ⅱ分别为神舟二十号飞船的近地圆轨道、椭圆变轨轨道，Ⅲ为天

和核心舱运行圆轨道，P、Q为变轨点。不计阻力，飞船在轨道Ⅱ上从P点到Q点运动过程中，下列选项

正确的是（）

A．速率增大，机械能增大B．速率减小，机械能减小

C．速率增大，机械能不变D．速率减小，机械能不变

【答案】D

【详解】根据题意可知，飞船在轨道Ⅱ上从P点到Q点运动过程中，只有万有引力做负功，则机械能不变，

动能减小，即速率减小。

故选D。

4．（2025·重庆·高考真题）“金星凌日”时，从地球上看，金星就像镶嵌在太阳表面的小黑点。在地球上间

距为d的两点同时观测，测得金星在太阳表面的小黑点相距为L，如图所示。地球和金星绕太阳的运动均

视为匀速圆周运动，太阳直径远小于金星的轨道半径，则地球和金星绕太阳运动的（）

1

2

LLd

3

A．轨道半径之比为dB．周期之比为L

2

LdL

C．线速度大小之比为LD．向心加速度大小之比为Ld

【答案】D

【详解】A．太阳直径远小于金星的轨道半径，太阳直径忽略不计，根据题意结合几何知识可知地球和金

rdL

地=

rL

星绕太阳运动的轨道半径之比为金，故A错误；

2

GMm2v2

2mrmma

BCD．根据万有引力提供向心力有rTr

42r3GMGM

Tva

解得GM，r，r2

3

T地dL

=

TL

故可得周期之比为金；

vL

地=

vdL

线速度大小之比为金；

2

a地L

=

adL

向心加速度大小之比为金；

故BC错误，D正确

故选D。

5．（2025·甘肃·高考真题）如图，一小星球与某恒星中心距离为R时，小星球的速度大小为v、方向与两

者中心连线垂直。恒星的质量为M，引力常量为G。下列说法正确的是（）

1

GM

v

A．若R，小星球做匀速圆周运动

GM2GM

v

B．若RR，小星球做抛物线运动

2GM

v

C．若R，小星球做椭圆运动

2GM

v

D．若R，小星球可能与恒星相撞

【答案】A

GMmv2

2m

【详解】A．根据题意，由万有引力提供向心力有RR

GM

v

解得R

GM

v

可知，若R，小星球做匀速圆周运动，故A正确；

GM2GM

v

B．结合A分析可知，若RR，万有引力不足以提供小星球做匀速圆周运动所需要的向心力，

小星球做离心运动，但又不能脱离恒星的引力范围，所以小星球做椭圆运动，而不是抛物线运动，故B错

误；

2GM

v

C．若R，这是小星球脱离恒星引力束缚的临界速度，小星球将做抛物线运动，而不是椭圆运动，

故C错误；

2GM

v

D．若R，小星球将脱离恒星引力束缚，做双曲线运动，不可能与恒星相撞，故D错误。

故选A。

1

6．（2025·四川·高考真题）某人造地球卫星运行轨道与赤道共面，绕行方向与地球自转方向相同。该卫星

持续发射信号，位于赤道的某观测站接收到的信号强度随时间变化的规律如图所示，T为地球自转周期。

已知该卫星的运动可视为匀速圆周运动，地球质量为M，万有引力常量为G。则该卫星轨道半径为（）

GMT2GMT2GMT29GMT2

3333

2222

A．36B．16C．4D．4

【答案】A

2T2T

2

【详解】设卫星转动的周期为T，根据题意可得T2T2

T

T

可得3

Mm42

Gmr

根据万有引力提供向心力r2T2

GMT2

3

r2

可得4

T

T

代入3

GMT2

3

r2

可得36

故选A。

7．（2025·河北·高考真题）随着我国航天事业飞速发展，人们畅想研制一种核聚变能源星际飞行器。从某

星球表面发射的星际飞行器在飞行过程中只考虑该星球引力，不考虑自转，该星球可视为质量分布均匀的

Rg

球体，半径为0，表面重力加速度为0。质量为m的飞行器与星球中心距离为r时，引力势能为

211

mg0R0rR0

RrR

0。要使飞行器在距星球表面高度为0的轨道上做匀速圆周运动，则发射初速度为（

）

3g0R0

gR2gR3gR

A．00B．2C．00D．00

1

【答案】B

r2R

【详解】飞行器在轨道半径0处的总机械能包括动能和势能。

1

Epmg0R0

引力势能为2

GMmv2

GMmgR

2mmg200

2R2R20v

根据万有引力提供向心力00，在星球表面有R0，解得轨道速度满足2，对

1213

Ekmvmg0R0E总mg0R0

应动能24，总机械能4

123g0R0

mv0E总v0

根据机械能守恒，初始动能2，解得2。

故选B。

8．（2025·山东·高考真题）轨道舱与返回舱的组合体，绕质量为M的行星做半径为r的圆周运动，轨道

舱与返回舱的质量比为5:1。如图所示，轨道舱在P点沿运动方向向前弹射返回舱，分开瞬间返回舱相对

GM

2

行星的速度大小为r，G为引力常量，此时轨道舱相对行星的速度大小为（）

2GM3GM4GMGM

A．5rB．5rC．5rD．r

【答案】C

【详解】轨道舱与返回舱的质量比为5:1，设返回舱的质量为m，则轨道舱的质量为5m，总质量为6m；

M6mv2

G6m

根据题意组合体绕行星做圆周运动，根据万有引力定律有r2r

GM

v

可得做圆周运动的线速度为r

6mv5mvmv

弹射返回舱的过程中组合体动量守恒，有12

1

GM

v22

由题意r

4GM

v1

带入解得5r

故选C。

9．（2025·海南·高考真题）2025年4月24日，载人飞船神舟二十号在酒泉卫星发射中心点火发射，在进

入预定轨道后成功与空间站完成自主快速交会对接，然后绕地球做匀速圆周运动。已知空间站轨道高度低

于地球同步卫星轨道，则下面说法正确的是（）

A．火箭在加速升空的过程中处于失重状态

B．航天员在空间站所受地球的引力小于其在地面上受到的地球引力

C．空间站绕地球做匀速圆周运动的角速度小于地球自转角速度

D．空间站绕地球做匀速圆周运动的加速度小于地球同步卫星的加速度

【答案】B

【详解】A．火箭加速升空过程，加速度方向竖直向上，则处于超重状态，故A错误；

GMm

F2

B．根据R，宇航员与地球的质量不变，宇航员在空间站离地心更远，则受到的万有引力小于在地

表受到万有引力，故B正确；

GMmGM

2

2mR3

C．根据R可得R，可知空间站绕地球做匀速圆周运动的角速度大于同步卫星的角速

度，即大于地球自转角速度，故C错误；

GMmGM

2maa2

D．根据R可得R，可知空间站绕地球做匀速圆周运动的加速度大于地球同步卫星的加速

度，故D错误。

故选B。

10．（2024·天津·高考真题）（多选）卫星未发射时静置在赤道上随地球转动，地球半径为R。卫星发射

后在地球同步轨道上做匀速圆周运动，轨道半径为r。则卫星未发射时和在轨道上运行时（）

A．角速度之比为1:1B．线速度之比为r:R

22

C．向心加速度之比为R:rD．受到地球的万有引力之比为R:r

【答案】AC

【详解】A．卫星未发射时静置在赤道上随地球转动，角速度与地球自转角速度相等，卫星发射后在地球

同步轨道上做匀速圆周运动，角速度与地球自转角速度相等，则卫星未发射时和在轨道上运行时角速度之

1

比为1:1，故A正确；

B．根据题意，由公式vr可知，卫星未发射时和在轨道上运行时，由于角速度相等，则线速度之比为

轨道半径之比R:r，故B错误；

a2r

C．根据题意，由公式n可知，卫星未发射时和在轨道上运行时，由于角速度相等，则向心加速度

之比为轨道半径之比R:r，故C正确；

GMm

F2

D．根据题意，由公式r可知，卫星未发射时和在轨道上运行时，受到地球的万有引力之比与轨道

22

半径的平方成反比，即r:R，故D错误。

故选AC。

11．（2024·贵州·高考真题）土星的部分卫星绕土星的运动可视为匀速圆周运动，其中的两颗卫星轨道半

r、rrra、a

径分别为12，且12，向心加速度大小分别为12，则（）

aaaa

1212

rrr2r2ararar2ar2

A．12B．12C．1122D．1122

【答案】D

mm

【详解】设土星的质量为M，两颗卫星的质量分别为1、2，对两颗卫星，根据牛顿第二定律

Mm1

G2m1a1

r1

Mm2

G2m2a2

r2

整理可得

22

a1r1a2r2

故选D。

12．（2024·重庆·高考真题）在万有引力作用下，太空中的某三个天体可以做相对位置不变的圆周运动，

假设a、b两个天体的质量均为M，相距为2r，其连线的中点为O，另一天体（图中未画出）质量为

m（m<<M），若c处于a、b连线的垂直平分线上某特殊位置，a、b、c可视为绕O点做角速度相同的匀

速圆周运动，且相对位置不变，忽略其他天体的影响。引力常量为G。则（）

A．c的线速度大小为a的3倍B．c的向心加速度大小为b的一半

1

GM

3

C．c在一个周期内的路程为2πrD．c的角速度大小为8r

【答案】A

【详解】D．a、b、c三个天体角速度相同，由于m<<M，则对a天体有

MM

GM2r

(2r)2

解得

GM

4r3

故D错误；

A．设c与a、b的连线与a、b连线中垂线的夹角为α，对c天体有

Mmr

2Gcosm2

r

()2tan

sin

解得

α=30°

则c的轨道半径为

r

r3r

ctan30

由v=ωr，可知c的线速度大小为a的3倍，故A正确；

B．由a=ω2r，可知c的向心加速度大小是b的3倍，故B错误；

C．c在一个周期内运动的路程为

s2r23r

故C错误。

故选A。

13．（2024·安徽·高考真题）2024年3月20日，我国探月工程四期鹊桥二号中继星成功发射升空。当抵

达距离月球表面某高度时，鹊桥二号开始进行近月制动，并顺利进入捕获轨道运行，如图所示，轨道的半

长轴约为51900km。后经多次轨道调整，进入冻结轨道运行，轨道的半长轴约为9900km，周期约为24h。

则鹊桥二号在捕获轨道运行时（）

1

A．周期约为144h

B．近月点的速度大于远月点的速度

C．近月点的速度小于在冻结轨道运行时近月点的速度

D．近月点的加速度大于在冻结轨道运行时近月点的加速度

【答案】B

【详解】A．冻结轨道和捕获轨道的中心天体是月球，根据开普勒第三定律得

22

T1T2

33

R1R2

整理得

3

R2

T2T13288h

R1

A错误；

B．根据开普勒第二定律得，近月点的速度大于远月点的速度，B正确；

C．近月点从捕获轨道到冻结轨道鹊桥二号进行近月制动，捕获轨道近月点的速度大于在冻结轨道运行时

近月点的速度，C错误；

D．两轨道的近月点所受的万有引力相同，根据牛顿第二定律可知，近月点的加速度等于在冻结轨道运行

时近月点的加速度，D错误。

故选B。

14．（2024·湖北·高考真题）太空碎片会对航天器带来危害。设空间站在地球附近沿逆时针方向做匀速圆

周运动，如图中实线所示。为了避开碎片，空间站在P点向图中箭头所指径向方向极短时间喷射气体，使

空间站获得一定的反冲速度，从而实现变轨。变轨后的轨道如图中虚线所示，其半长轴大于原轨道半径。

则（）

1

A．空间站变轨前、后在P点的加速度相同

B．空间站变轨后的运动周期比变轨前的小

C．空间站变轨后在P点的速度比变轨前的小

D．空间站变轨前的速度比变轨后在近地点的大

【答案】A

【详解】A．在P点变轨前后空间站所受到的万有引力不变，根据牛顿第二定律可知空间站变轨前、后在

P点的加速度相同，故A正确；

B．因为变轨后其半长轴大于原轨道半径，根据开普勒第三定律可知空间站变轨后的运动周期比变轨前的

大，故B错误；

C．变轨后在P点因反冲运动相当于瞬间获得竖直向下的速度，原水平向左的圆周运动速度不变，因此合

速度变大，故C错误；

D．由于空间站变轨后在P点的速度比变轨前大，而比在近地点的速度小，则空间站变轨前的速度比变轨

后在近地点的小，故D错误。

故选A。

15．（2024·湖南·高考真题）（多选）2024年5月3日，“嫦娥六号”探测器顺利进入地月转移轨道，正式

开启月球之旅。相较于“嫦娥四号”和“嫦娥五号”，本次的主要任务是登陆月球背面进行月壤采集并通过升

空器将月壤转移至绕月运行的返回舱，返回舱再通过返回轨道返回地球。设返回舱绕月运行的轨道为圆轨

11

道，半径近似为月球半径。已知月球表面重力加速度约为地球表面的6，月球半径约为地球半径的4。关

于返回舱在该绕月轨道上的运动，下列说法正确的是（）

A．其相对于月球的速度大于地球第一宇宙速度

B．其相对于月球的速度小于地球第一宇宙速度

2

C．其绕月飞行周期约为地球上近地圆轨道卫星周期的3倍

1

3

D．其绕月飞行周期约为地球上近地圆轨道卫星周期的2倍

【答案】BD

【详解】AB．返回舱在该绕月轨道上运动时万有引力提供向心力，且返回舱绕月运行的轨道为圆轨道，

半径近似为月球半径，则有

2

M月mv月

G2m

r月r月

其中在月球表面万有引力和重力的关系有

M月m

G2mg月

r月

联立解得

v月月月gr

由于第一宇宙速度为近地卫星的环绕速度，同理可得

v地地地gr

代入题中数据可得

6

vv

月12地

故A错误、B正确；

CD．根据线速度和周期的关系有

2π

Tr

v

根据以上分析可得

3

TT

月2地

故C错误、D正确；

故选BD。

16．（2023·河北·高考真题）我国自古就有“昼涨为潮，夜涨为汐”之说，潮汐是月球和太阳对海水的引力

变化产生的周期性涨落现象，常用引潮力来解释。月球对海水的引潮力大小与月球质量成正比、与月地距

离的3次方成反比，方向如图1，随着地球自转，引潮力的变化导致了海水每天2次的潮涨潮落。太阳对

海水的引潮力与月球类似，但大小约为月球引潮力的0.45倍。每月2次大潮（引潮力）最大和2次小潮

（引潮力最小）是太阳与月球引潮力共同作用的结果，结合图2，下列说法正确的是（）

1

A．月球在位置1时会出现大潮

B．月球在位置2时会出现大潮

C．涨潮总出现在白天，退潮总出现在夜晚

D．月球引潮力和太阳引潮力的合力一定大于月球引潮力

【答案】A

【详解】AB．太阳、月球、地球三者在同一条直线上，太阳和月球的引潮力叠加在一起，潮汐现象最明

显，称为大潮，月地连线与日地连线互相垂直，太阳引潮力就会削弱月球的引潮力，形成小潮，如图2所

示得月球在位置1时会出现大潮，故A正确，B错误；

C．每一昼夜海水有两次上涨和两次退落，人们把每次在白天出现的海水上涨叫做“潮”，把夜晚出现的海

水上涨叫做“汐”，合称潮汐，故C错误；

D．月地连线与日地连线互相垂直位置（2位置）时月球引潮力和太阳引潮力的合力等于月球引潮力减太

阳引潮力小于月球引潮力，故D错误。

故选A。

17．（2023·福建·高考真题）（多选）人类为探索宇宙起源发射的韦伯太空望远镜运行在日地延长线上的

拉格朗日L2点附近，L2点的位置如图所示。在L2点的航天器受太阳和地球引力共同作用，始终与太阳、

地球保持相对静止。考虑到太阳系内其他天体的影响很小，太阳和地球可视为以相同角速度围绕日心和地

心连线中的一点O（图中未标出）转动的双星系统。若太阳和地球的质量分别为M和m，航天器的质量远

小于太阳、地球的质量，日心与地心的距离为R，万有引力常数为G，L2点到地心的距离记为r（r<<R），

在L2点的航天器绕O点转动的角速度大小记为ω。下列关系式正确的是（）[可能用到的近似

11r

2212

RrRR

]

1

11

G(Mm)2G(Mm)2

33

A．2RB．R

11

3m3m3

rRrR

C．3MmD．3Mm

【答案】BD

rr

【详解】AB．设太阳和地球绕O点做圆周运动的半径分别为1、2，则有

Mm

GM2r

R21

Mm

Gm2r

R22

r1＋r2=R

联立解得

1

G(Mm)2

R3

故A错误、故B正确；

CD．由题知，在L2点的航天器受太阳和地球引力共同作用，始终与太阳、地球保持相对静止，则有

Mmmm

GGm2(rr)

(Rr)2r22

再根据选项AB分析可知

1

G(Mm)2

R3

Mr1=mr2，r1＋r2=R，

联立解得

1

m3

rR

3Mm

故C错误、故D正确。

故选BD。

18．（2023·重庆·高考真题）（多选）某卫星绕地心的运动视为匀速圆周运动，其周期为地球自转周期T

3

t

的10，运行的轨道与地球赤道不共面（如图）。0时刻，卫星恰好经过地球赤道上P点正上方。地球的质

量为M，半径为R，引力常量为G。则（）

1

1

GMT23

R

42

A．卫星距地面的高度为

51

180πGMT23

B．卫星与位于P点处物体的向心加速度大小比值为9πR

t

C．从0时刻到下一次卫星经过P点正上方时，卫星绕地心转过的角度为20

D．每次经最短时间实现卫星距P点最近到最远的行程，卫星绕地心转过的角度比地球的多7

【答案】BCD

【详解】A．由题意，知卫星绕地球运转的周期为

3

TT

10

设卫星的质量为m，卫星距地面的高度为h，有

Mm2

Gm(Rh)()2

(Rh)2T

联立，可求得

1

9GMT23

h2R

400

故A错误；

B．卫星的向心加速度大小

2

a(Rh)2(Rh)()2

1T

位于P点处物体的向心加速度大小

2

aR2R()2

2T

可得

aRhT51

1()2180πGMT23

a2RT9πR

故B正确；

t

C．从0时刻到下一次卫星经过P点正上方时，设卫星转了m圈、P点转了n圈（m、n为正整数），则有

1

3T

mnT

10

可得

m10，n3

则卫星转过的角度为

m2π20π

故C正确；

D．卫星距P点最近或最远时，一定都在赤道正上方。每次经最短时间实现卫星距P点最近到最远，需分

两种情况讨论，第一种情况：卫星转了x圈再加半圈、P点转了y圈（x、y为正整数），则有

3T3T

xyT

1020x、y无解，所以这种情况不可能；第二种情况：卫星转了x圈、P点转了y圈再加半圈，

则有

3TT

xyT

102

可得

x5，y1

则卫星绕地心转过的角度与地球转过的角度差为

x2π(y2ππ)7π

故D正确。

故选BCD。

19．（2023·广东·高考真题）如图（a）所示，太阳系外的一颗行星P绕恒星Q做匀速圆周运动。由于P

的遮挡，探测器探测到Q的亮度随时间做如图（b）所示的周期性变化，该周期与P的公转周期相同。已

知Q的质量为M，引力常量为G。关于P的公转，下列说法正确的是（）

GMtt2

310

2tt2

A．周期为10B．半径为4

2GM

3

tttt

C．角速度的大小为10D．加速度的大小为10

【答案】B

1

【详解】A．由图（b）可知探测器探测到Q的亮度随时间变化的周期为

Tt1t0

tt

则P的公转周期为10，故A错误；

B．P绕恒星Q做匀速圆周运动，由万有引力提供向心力可得

GMm42

mr

r2T2

解得半径为

2

GMT2GMtt

r3310

4242

故B正确；

C．P的角速度为

22

Tt1t0

故C错误；

D．P的加速度大小为

GMtt2

22231022GM

3

ar()2

t1t04t1t0t1t0

故D错误。

故选B。

20．（2023·湖北·高考真题）2022年12月8日，地球恰好运行到火星和太阳之间，且三者几乎排成一条

直线，此现象被称为“火星冲日”。火星和地球几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳做圆周运动，火星与地

球的公转轨道半径之比约为3:2，如图所示。根据以上信息可以得出（）

A．火星与地球绕太阳运动的周期之比约为27:8

B．当火星与地球相距最远时，两者的相对速度最大

C．火星与地球表面的自由落体加速度大小之比约为9:4

D．下一次“火星冲日”将出现在2023年12月8日之前

1

【答案】B

【详解】A．火星和地球均绕太阳运动，由于火星与地球的轨道半径之比约为3：2，根据开普勒第三定律

有

32

r火火T

3=2

r地地T

可得

3

T火火r33

=3=

T地地r22

故A错误；

B．火星和地球绕太阳匀速圆周运动，速度大小均不变，当火星与地球相距最远时，由于两者的速度方向

相反，故此时两者相对速度最大，故B正确；

C．在星球表面根据万有引力定律有

Mm

Gmg